Eigensicherheit in der Prozessinstrumentierung

Die Eigensicherheit ist eine Ex-Schuitzart, um Explosionen in gefährdeten Bereichen zu vermeiden. Dabei wird die elektrische Energie, die in Stromkreisen und Betriebsmitteln zur Verfügung steht, auf ein Niveau begrenzt, das für die Zündung der zündfähigsten, potenziell auftretenden Gas-/ Luftgemische nicht ausreicht. Zwei Zündmechanismen werden dabei berücksichtigt: die Zündung durch elektrische Funken und durch Strom erhitzte Oberflächen. Das brennbare Medium kann neben Gas auch andere entzündliche Stoffe umfassen, wie Stäube, Fasern und Schwebstoffe. Die Stromkreise und Betriebsmittel sind so ausgelegt, dass die Sicherheit sowohl bei normalem Betrieb, als auch bei allen zu berücksichtigen Fehlerzuständen gewährleistet ist. Die Zündschutzart Eigensicherheit ist in erster Linie eine Technik, die bei geringer Leistungsaufnahme der Geräte in einem Stromkreis zum Einsatz kommt. Diese beträgt bei Wasserstoffatmosphären etwa 1 W, ist jedoch gut für die industrielle Instrumentierung geeignet ist. Bei Betriebsmitteln mit großer Leistungsaufnahme, wie z. B. Elektromotoren oder Beleuchtungseinrichtungen, kann sie nicht eingesetzt werden. Sie wird in diesen Fällen aber häufig für die Steuerstromkreise angewandt, die Betriebsmittel höherer Leistung schalten.

Vorteile der geringen Leistungsaufnahme Alle anderen Zündschutzarten, z. B. Überdruckkapselung, druckfeste Kapselung oder Ölkapselung beruhen darauf, dass eine physische Barriere zwischen der explosionsfähigen Atmosphäre und dem Stromkreis gewahrt wird. In der im Betrieb befindlichen Anlage braucht diese dazu noch schwer zu überwachende Grenze nur an einer Stelle durchbrochen zu werden, und der ganze Schutz wird hinfällig. Dem gegenüber gewährleistet die Eigensicherheit einen einzigartigen Schutz, indem die Energie an der Quelle außerhalb des Ex-Bereiches begrenzt wird. Dadurch ergeben sich die folgenden technischen und wirtschaftlichen Vorteile:

• Wartung am aktiven System: Es muss nicht erst eine gasfreie Atmosphäre hergestellt oder der Stromkreis abgeschaltet werden, bevor z.B. Kalibrierung oder andere Arbeiten an Betriebsmitteln vorgenommen werden können. Abgedichtete oder magnetisch gekoppelte Steuergeräte in schweren druckgekapselten Gehäusen sind nicht erforderlich.
• Geringere Kosten: Gehäuse sind leichter, weniger sperrig und billiger. Bewehrte Kabel oder Kabelkanäle können durch einfache Leitungen ersetzt werden. Thermoelemente, Widerstände, Schalter und andere, Betriebsmittel können meist auch ohne behördliche Zulassung verwendet werden.
• Größere Zuverlässigkeit: Das System bleibt auch dann sicher, wenn Dichtungen versagen, Bagger Kabel durchtrennen oder die Abdeckungen von Gehäusen oder Kabelkanälen falsch wieder eingesetzt werden, wobei vielleicht Muttern fehlen oder falsch angezogen werden. Schalter brauchen keine langen, dünnen Luftspalte zur Zündverzögerung aufzuweisen, die der Korrosion unterliegen und sich zusetzen können.
• Sicherer: Betriebspersonal kann durch die geringen Spannungen in eigensicheren Stromkreisen nicht verletzt werden.
• Vielfältigere Einsatzmöglichkeiten: Die Eigensicherheit die Zündschutzart, die am häufigsten in Gefahrenbereichen der Zone 0 (höchste Gefahr) eingesetzt werden kann.

Gaseinstufung

• Stromkreise mit ohmschen Verhalten: Minimaler Zündstrom in Abhängigkeit von der Spannung.
• Stromkreise mit Induktivitäten: Minimaler Zündstrom in Abhängigkeit von der Induktivität.
• Stromkreise mit Kondensatoren: Minimale Zündspannung in Abhängigkeit von der Kapazität.

Entwickler können bei der Auslegung von eigensicheren Stromkreisen und Betriebsmitteln auf diese Kurven (mit geeigneten Sicherheitszuschlägen) zurückgreifen. In der Praxis sind aus Gründen der Vereinfachung jedoch alle Gase je nach Zündwilligkeit in einige wenige Gruppen eingestuft, wobei jede Gruppe durch ein bekanntes und leicht reproduzierbares 'repräsentatives' Gas oder 'Testgas' vertreten wird, was die routinemäßige Überprüfung von Betriebsmitteln erleichtert. Praktisch werden eigensichere Betriebsmittel daher für den sicheren Betrieb in einer bestimmten Gasgruppe ausgelegt.
Prüfstellen geben zu diesem Zweck die anerkannten Zündkurven heraus, die sich auf die repräsentativen Testgase beziehen. Die Kurven werden für alle Systeme mit und ohne Cadmium, Zink, Magnesium oder Aluminium erstellt, weil diese Metalloberflächen die Zündung fördern. Praktisch erfolgt die Prüfung jedoch immer nach den strengsten Kriterien unter Annahme der ungünstigsten Bedingungen, wobei also von der Anwesenheit dieser Metalle ausgegangen wird. Heutzutage finden zwei Systeme zur Gaseinstufung Anwendung: eines in den Ländern, die die IEC und CENELEC Normen anwenden; das andere in den USA und Kanada. Jedes zugelassene eigensichere Betriebsmittel trägt eine Kennzeichnung, für welche Gasgruppe es die Prüfbescheinigung erhalten hat. Logischerweise sind Betriebsmittel, die für eine bestimmte Gruppe geeignet sind, auch für alle anderen Gruppen geeignet, die weniger leicht entzündlich sind.

Temperatureinstufung

Das Einstufungssystem, das in Deutschland erstellt wurde und europaweit verwendet wird, ist in der Grafik wiedergegeben. Es gilt für alle Zündschutzarten, nicht nur für die Eigensicherheit. Interessanterweise besteht kein Zusammenhang zwischen der Zündfähigkeit durch heiße Oberflächen und durch Funken; die beiden Zündmechanismen sind völlig unabhängig voneinander. So wird Wasserstoff durch einen Funken mit geringer Energie (20 µJ) leicht gezündet, weist jedoch eine sehr hohe Zündtemperatur (560 °C) auf, während Acetaldehyd einen energiereichen Funken (150 µJ) erfordert, aber eine geringe Zündtemperatur (140 °C) besitzt.

Zoneneinteilung

In jeder Anlage ist die Betriebsleitung für die Zoneneinteilung verantwortlich. Die Einteilung selber kann auch ein externer Dienstleister erbringen, wobei Richtlinien herangezogen werden, die in der Regel von verschiedenen Gremien wie etwa dem Institute of Petroleum (Großbritannien), dem American Petroleum Institute oder der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie (EX-RL) oder dem TÜV in Deutschland herausgegeben sind. Um die Zuverlässigkeitsanforderungen für die verschiedenen Zonen einzuhalten, werden eigensichere Betriebsmittel in Europa in einer von zwei verschiedenen Arten gefertigt und bescheinigt, die sich durch den Grad an Redundanz von wesentlichen Bauteilen unterscheiden:

• Ex ia: Die Sicherheit ist bei bis zu zwei 'zählbaren' Bauteil- oder sonstigen Fehlern gewährleistet. Kann in Gefahrenbereichen der Zonen 0, 1, 2 installiert oder daran angeschlossen werden.
• Ex ib: Die Sicherheit ist bei bis zu einem 'zählbaren' Bauteil- oder sonstigen Fehler gewährleistet. Kann in Gefahrenbereichen der Zone 1, 2 installiert oder daran angeschlossen werden.
• Ex ic: Die sicherheit ist nur bei Nennbetrieb gewährleistet. Kann in Gefahrenbereichen der Zone 2 installiert oder daran angeschlossen werden.

Gewisse Bauteile, wie z.B. bestimmte Drahtwiderstände, werden hinsichtlich zu berücksichtigender Fehlerarten als 'fehlerfrei' angesehen; gleiches gilt für bestimmte Montagemethoden. Die Normen geben an, welche Fehler gezählt werden müssen und welche ale nicht relevant zu betrachten sind. Natürlich können Betriebsmittel der Schutzart Ex ia außer in Zone 0 auch in den Zonen 1 und 2 eingesetzt werden, was trotz der etwas höheren Kosten auch häufig in einer Anlage geschieht, um die Wartungsverfahren zu vereinfachen und Lagerbestände zu reduzieren. In den USA werden alle eigensicheren Betriebsmittel nach einer einzigen Norm bescheinigt und können in Gefahrenbereichen der Division 1 installiert oder daran angeschlossen werden. Amerikanische Sicherheitsbarrieren sind (elektrisch) ähnlich den europäischen Barrieren der Klassifizierung Ex ia, unterliegen aber nicht allen in Europa vorgeschriebenen Bauteilprüfungen. Japan hat sich für die Eigensicherheit ab 1985 ebenfalls für einen ia-ähnlichen Einheitsstandard entschieden.

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